多相 DC/DC 轉換器在整個負載范圍內提供了高效率

概述
近年來，隨著因特網服務需求量的顯著增長，全球數據中心的電力消耗已經成為一個重要的問題。數據中心可編排網頁、實現社會網絡和流媒體服務、提供音樂和視頻下載、提供互聯網訪問以及運行仿真。另外，它們還為銀行及其他金融業務的傳統和私人用戶提供了計算能力。數據中心常常占據多間房屋、多個樓層甚至整幢大樓，包含計算機、存儲和網絡設備。在 2000 年至 2005 年間，數據中心的總用電量翻了一番 ── 從每年 700 億度增加到了 1400 億度，并繼續以 16.7% 的平均增長率逐年攀升，而亞太地區 (不包括日本) 是世界上僅有的一個遠遠超過該平均增長率的主要地區 [資料來源：“Worldwide electricity used in data centers”，Jonathan Koomey 撰文，美國勞倫斯伯克力國家實驗室，2008 年]。

數據中心所采用的計算機 (常稱為服務器) 與 PC 架構相似，具有一個 CPU、ASIC、FPGA 和存儲器。然而，與 PC 不同的是，數據中心里的服務器盡可能緊密地組合在一起且耗用大量的電力，因而產生了必須散逸的熱量。功率通過不間斷電源系統 (UPS) 輸送至這些服務器，其后通常設有一個分布式電源系統和用于負載點 (POL) 供電的降壓型 DC/DC 轉換器。此類功率輸送方法的效率達不到 100%，而且會產生大量的熱量。必須謹慎和持續不斷地管理這些熱量，以使系統在其規定的工作溫度范圍內運行。無論冷卻系統的類型和效率如何，都必須采取某種方法將熱量從數據中心去除。而要做到這一點，就必需使用額外的能量來運作冷卻設施。

據估計，由于低效率和冷卻系統所造成數據中心增加額外功耗與服務器、存儲和網絡設備所消耗的功率量大致相等。單臺 PC、工作站或筆記本電腦的用戶并不會把系統發熱看作一個問題，但對于數據中心而言，管理這種熱開銷的重要性絲毫不亞于服務器本身。如果降低了系統功率，那么可用開銷就能夠處理一個更大的 IT 負載并完成更多有用的工作，而功耗水平保持不變。

由于數據中心的功率需求持續增加，因此必需進行效率較高的功率轉換以減少被作為熱量而浪費掉的功率。智能型多相控制器技術是一種適合大電流 POL 應用的絕佳解決方案。該架構使得大電流穩壓器能夠在滿負載條件下實現大大超過 90% 的效率。然而，此類設計大多數不滿足在輕負載到中等負載時實現較高效率的需求。節省輕負載至中等負載時浪費的電力與節省重負載時浪費的電力一樣重要。

大部分嵌入式系統通過 48V 背板來供電。這個電壓正常情況下被降至較低的 24V、12V 或 5V 中間總線電壓，用于向系統內部的電路板支架供電。不過，要求這些電路板上的大多數子電路或 IC 在不到 1V 至 3.3V 的電壓范圍內、以數十 mA 至數百 A 的電流工作。因此，要從 24V、12V 或 5V 電壓軌降至子電路或 IC 所需的電壓和電流值，POL DC/DC 轉換器是必不可少的。

顯然，人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長的需求將繼續推動電源產品的開發。這一領域的很多成果可以追溯到功率轉換技術領域中所取得的進步，特別是電源 IC 和功率半導體器件的改善。總體而言，這些組件對提高電源性能起到了很大作用，因為它們允許在對功率轉換效率影響最小的前提下提高開關效率。這是通過降低開關和接通狀態損耗，從而在提高效率的同時可允許高效地去除熱量。不過，向較低輸出電壓轉變給這些因素施加了更大的壓力，這反過來又導致了極大的設計挑戰。

多相拓撲結構
多相運作是轉換拓撲結構的一般性術語，在這類拓撲結構中，由兩個或更多個轉換器處理單個輸入，而且這些轉換器相互同步但以不同和鎖定的相位運行。這種方法降低了輸入紋波電流、輸出紋波電壓以及總的 RFI (射頻干擾) 特征值，同時提供了單個大電流輸出或具完全穩定輸出電壓的多個較低電流輸出。這種方法還允許使用較小的外部組件，從而造就效率較高的轉換器，并且提供了以更少的冷卻措施改善熱量管理這種附加的好處。

盡管一般而言，降壓型轉換器是更為普遍的應用，但是多相拓撲結構可以配置為降壓型、升壓型甚至正激式轉換器。如今，從 12V_IN 至 1.xV_OUT 的轉換效率高達 95% 是很普遍的。

在較高的功率電平條件下，可擴展型多相控制器運用輸入和輸出紋波電流抵消 (通過對多個并聯功率級的時鐘信號進行交錯處理而得以實現) 來縮減電容器和電感器的尺寸和成本。通過集成 PWM (脈寬調制) 電流模式控制器、真正的遠端采樣、可選的定相控制、固有的電流均分能力、大電流 MOSFET 驅動器、以及過壓和過流保護功能，多相轉換器有助于最大限度地減少外部組件數目和簡化整個電源設計。這簡化了制造過程，從而不僅有助于提高電源的可靠性，還使電源成為可擴展的。此類系統最多可擴展至 12 個相位，以提供高達 300A 的大電流輸出。

凌力爾特公司擁有好幾款多相 DC/DC 控制器，包括適合大電流 POL 轉換的 LTC3856 和 LTC3829 單路輸出同步降壓型控制器。這些器件不僅能夠提升滿負載效率，而且還具備一種任選的“逐級遞減”(Stage Shedding^TM) 功能，該功能可降低輕負載至中等負載時的功率損耗。圖 1 中的電路示出了 LTC3856 的一款典型應用原理圖，該電路用于利用兩個相位從一個 4.5V~14V 輸入電壓產生 1.5V/50A 輸出。

圖 1：大輸出電流 1.5V/50A 應用電路原理圖

圖 2 中的電路顯示了一款典型的 LTC3829 應用原理圖，該電路采用 3 個相位從 6V~28V 輸入電壓產生一個 1.2V/75A 輸出。